水平定向鑽機虛擬仿真實驗是中國地質大學（武漢）建設的虛擬仿真實驗課程。
基本介紹
- 中文名：水平定向鑽機虛擬仿真實驗
- 建設院校： 中國地質大學（武漢）
- 課程負責人： 文國軍
- 授課教師：丁華鋒、張偉民、烏效鳴、劉銀
課程簡介,課程目標,
課程簡介
水平定向鑽機虛擬仿真實驗充分利用虛擬現實、增強現實等理念，自主開發、獨立產權，全面仿真水平定向鑽機操作及在地面下蜿蜒曲折進行的定向鑽進工藝。學生足不出戶,由軟及硬、虛實結合,即時互動、虛擬沉浸,多維度體驗先進的虛擬現實和增強現實操作技術;鑽機動作，地底I況，盡在眼前，輕鬆掌握神秘定向鑽進I藝及鑽機操作;安全無憂、經濟環保，能實不虛、高效可靠;自動評分、多元考核,滿足實驗教學、工程實訓需要。
課程目標
我校機械工程專業由原勘探機械專業逐步衍變而來,其岩士工程機械的教學與實踐一直是該專業的特色與優勢。所開設的《岩土工程機械施工技術工程實習》是本專業培養方案的一個具有顯著特色與套用優勢的重要實踐性教學環節,安排在《工程機械設計》理論課程學習之前,其目的是使學生較系統地熟悉常用的岩士工程機械的類型、功能、結構和原理,初步了解相關的施工工藝,掌握岩土工程機械設備的基本操作技能,為後續的理論課程學習和專業能力培養打下堅實的基礎。
依據《岩土工程機械施工技術工程實習》的教學大綱,所需實踐操作的岩土工程機械包括地質岩心鑽機、水平定向鑽機、樁工機械(如旋挖鑽機)等,其中水平定向鑽機作為-種典型的岩土:工程機械施工設備,也是目前實施非開挖地下管線建設工程的關鍵機械設備(”非開挖” 是指利用非開挖的方法對地下管線和管道進行鋪設、維修、更換或者探測的工程施工,近20年來已廣泛地套用於我國城市管網建設等基礎建設工程以及長距離油氣管線穿越工程,水平定向鑽進的距離可達到幾百米甚至幾千米,隨著施工的環保要求的不斷提高,非開挖工程量在各大中小城市都在飛速增長,對水平定向鑽進設備及其司鑽作業人員的需求也在飛速增長)。
因設備場地和地下管網空間安全(隨意施鑽或者意外作業事故可能造成地下管線和管網的破壞)的限制,水平定向鑽機的實踐一般安排在特定施工區域的工地現場進行,但效果一直不太好,綜合起來具有多種原因。其, 時間與空間不一定滿足要求 :因為到現場觀察完全取決於有實際水平定向鑽進施工的時間和地點,其施工周期可能根本不在教學時段內,地點也可能距離學校太遠,更無法保證學生在一天甚至半天內看到施 工周期的全過程;其，學生並無實際動手 操作機會:由於現場條件比較惡劣,同時受生產安全管理和工期進度計畫的限制,難於在工地現場長時間、近距離地實踐教學,現場實習只能是走馬觀花式地看看,更談不 上有動手操作的機會;乒,無法了解水平定向鑽進全過程:由於水平定向鑽進地下管線是在地面下蜿蜒曲折地進行,僅可在入口和出口處進行參觀,即便在現場也無法了解其導向鑽進與鋪管的實際過程;其四,聯繫符合條件的工地困難:首先由於城市內非開挖工地空間大多比較狹窄,無法滿足至少一個班級學生的參觀實習,要多方面聯繫才可找到合適的施工場地,另外由於工期緊張和出於安全考慮,一般都不太願意接受大 量學生參觀,只能靠任課教師與施I單位的個人感情艱難維繫。因此，如何保證”既要安全又有收穫”的實習效果一直是本實驗項目所面臨的難題。
隨著計算機硬體性能的不斷提升，“計算機圖形 學之父”Ivan Sutherland所提出的” 虛擬現實”概念成為了實際可行的技術,在軍事、汽車、航天航空等領域得到了廣泛的套用,並已成為了教學過程的必要輔助手段,同時也為我校解決水平定向鑽機教學實踐過程中遇到的.上述問題提供了一條行之有效的途徑。 基於此,本實習課程教學團隊通過長年探索與技術攻關，自主研發了水平定向鑽進虛擬現實實訓系統軟體以及”虛實" 結合的增強現實系統,並逐步採用“水平定向鑽機虛擬仿真實驗”替代了原有的"水平定向鑽機”現場參觀實驗。該水平向鑽機虛擬仿真實驗,是套用計算機虛擬仿真技術建立水平定向鑽機結構的三維模型和仿真實驗平台,布設相應的施I現場環境場景,採用可視化的人機互動界面,在非現場環境條件下實現人機互動的操作平台,並將複雜的機械設備操作和非開挖施I過程有機結合形象直觀地表現出來,還在增強現實系統中措建了與鑽機實物一致的實操平台,建立了沉浸式人機互動系統，增加了操作人員的真實感,使操作者沉浸於具有真實感的虛擬操作環境中,可讓其感覺是在親身操作“真實” 的設備。在虛擬仿真實驗教學過程中,學生可通過可視化軟體界面與實際操作台兩種方式對計算機螢幕上的虛擬水平定向鑽機進行操作,當操作不當或者I況參數發生異常時,系統將發出報警和提示,有助於學生全面地理解鑽機操作和鑽進過程的關聯性,提高實驗的效果。因此通過本虛擬仿真實驗,可以有效地解決水平定向鑽機設備昂貴、使用維護複雜和安全生產限制等諸多問題,成功地達到實踐教學的目的。
而且,該虛擬仿真實驗項目還可以作為虛擬現實實訓系統,服務於職業院校、設備廠商和施I單位的對水平定向鑽機司鑽人員的技術培訓,既不受施工時間與空間的限制,又省卻大量實際鑽機操作的燃油費用和設備折損費用,更無需擔心施工的安全(即便操作不當出現報警提示也不用擔心出現嚴重的後果)。因此,該系統已在.上海城建職業學院和無錫鑽通工程機械有限公司等單位得到了實際套用,並產生了良好的經濟與社會效益。
